发酵罐设计

第九章发酵罐放大与设计2√√√√√√√发酵罐3发酵罐放大与设计发酵罐设计与放大二发酵罐类型与结构一发酵罐的类型发酵罐的结构四三发酵罐的设计发酵罐的放大2020/5/54了解发酵罐的类型掌握通用式发酵罐的基本结构了解发酵罐设计的基本原则和要求了解发酵罐放大设计的方法2020/5/55发酵罐的基本概念发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。广义的发酵罐是指为一个特定生物化学过程的操作提供良好而满意的环境的容器。工业发酵中一般指进行微生物深层培养的设备。2020/5/56一、发酵罐的类型好氧发酵罐(通风发酵罐)抗生素、酶制剂、酵母、氨基酸，维生素等需要强烈的通风搅拌→提高氧传质系数KLa厌氧发酵罐(嫌气发酵罐)丙酮丁醇、酒精、啤酒、乳酸等不需要通气1、按微生物代谢类型分类2020/5/57一、发酵罐的类型2、按供氧方式分类机械搅拌非机械搅拌（通用式发酵罐）机械搅拌自吸式发酵罐气升式发酵罐塔式发酵罐喷射自吸式发酵罐伍式发酵罐通风发酵罐机械搅拌通风发酵罐2020/5/58一、发酵罐的类型3、新型发酵罐膜生物反应器近年来生物工程领域的研究热点反应和分离的耦合使产物及时移去，降低产物的反馈抑制作用2020/5/599室验室用发酵罐1L--50L中试用发酵罐50L--5000L发酵罐大小的大致概念2020/5/510抗生素发酵罐的容积以80～200米3为主氨基酸、柠檬酸的发酵罐较普遍使用150～300米3珠海益力味精集团有限公司630米3机械搅拌发酵罐，是世界上最大的通用式发酵罐之一。越来越多的啤酒生产厂家采用400m3和600m3大罐,甚至800m3大罐。新建的酒精生产企业，其发酵罐单罐容积一般在1000-2000米3之间生产用发酵罐：5000L11发酵罐放大与设计发酵罐设计与放大二发酵罐类型与结构一发酵罐的类型发酵罐的结构四三发酵罐的设计发酵罐的放大2020/5/512二、发酵罐的结构1.通用式发酵罐利用机械搅拌器的作用，使无菌空气和发酵液充分混合，促进氧溶解，以保证微生物的生长繁殖所需要的氧气。约占发酵罐总数的70~80%，所以也称标准式或通用式发酵罐。机械搅拌通风发酵罐2020/5/513通用式发酵罐的结构•罐体•轴封•消泡器•搅拌器•联轴器•轴承•挡板•空气分布管•换热装置•人孔、管路、测量仪表等2020/5/514通用式发酵罐的主要部件(1)罐体(2)搅拌器(3)挡板(4)轴封(5)消泡器(6)空气分布管(7)联轴器(8)轴承(9)变速装置(10)换热装置(11)人孔(12)管路(13)测量仪表二、发酵罐的结构1.通用式发酵罐2020/5/515(1)罐体罐体由圆柱体及椭圆形或碟形封头焊接而成。小型发酵罐罐顶和罐身采用法兰连接材料一般为不锈钢。2020/5/516椭圆封头筒体冷却蛇管2020/5/5172020/5/518（1）罐体为了便于清洗，小型发酵罐顶设有清洗用的手孔。中大型发酵罐则装设有维修或清洗的人孔。罐顶还装有视镜。在罐顶上的接管有：进料管、补料管、排气管、接种管和压力表接管。2020/5/519结构2020/5/520发酵罐结构图2020/5/521（1）罐体在罐身上的接管有冷却水进出管、进空气管、取样管、温度计管和测控仪表接口。2020/5/522(1)罐体的尺寸比例H：筒身高度HL：液位高度D：罐径d:搅拌器直径s:两搅拌器间距B：下搅拌器距底部间距2020/5/523(1)罐体的尺寸比例H/D=1.7－3HL/D=2－2.5d/D=1/3－1/2W/D=1/12－1/8B/D=0.8－1.0(s/d)2=1.5－2.5(s/d)3=1－2以罐体直径D、搅拌器直径d为基准2020/5/524(2)搅拌器搅拌器的作用使通入的空气分散成小气泡，增加气液接触，促进氧溶解于发酵液中。2020/5/525(2)搅拌器搅拌器的类型径向式（涡轮式）轴向式平叶式、弯叶式和箭叶式螺旋桨式、浆叶式类型轴向径向2020/5/526轴向式搅拌器螺旋桨式桨叶式2020/5/527六平叶搅拌器六箭叶搅拌器六弯叶搅拌器径向式(涡轮式)搅拌器涡轮搅拌器要安一个圆盘？为了避免气泡在阻力较小的搅拌器中心部分沿轴上升2020/5/5282020/5/529在相同的搅拌功率PG下，粉碎气泡能力：平弯箭翻动流体能力：箭弯平工厂多采用在同一搅拌轴上安装不同叶形的搅拌器上层：以混合为主的轴流型或箭叶搅拌器下层：以粉碎气泡为主的平叶涡轮搅拌器。2020/5/530(3)挡板挡板空气分布器挡板2020/5/531挡板的作用：——改变液流的方向，由径向流→轴向流，促使液体激烈翻动，增加溶解氧。——防止搅拌过程中漩涡的产生，而导致搅拌器露在料液以上，起不到搅拌作用。无挡板的搅拌器形成的流型有挡板的搅拌器形成的流型2020/5/532挡板的宽度：W/D=1/12～1/8(取0.1)全档板条件：指在一定的搅拌转速下，在搅拌罐中增加档板或其它附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。一般要满足下式：（W/D）•Z=0.4Z—档板数一般装四块挡板2020/5/533发酵罐内的列管、排管或蛇管也可起相应的挡板作用。2020/5/534一般具有冷却列管或排管的发酵罐内不另设挡板。挡板的长度自液面起到罐底为止。挡板与罐壁之间的距离为（0.2~0.4）W，避免形成死角，防止物料与菌体堆积。2020/5/535(4)轴封作用：使罐顶或罐底与轴之间的缝隙加以密封，防止泄露和污染杂菌。形式：填料函轴封端面轴封(机械轴封)2020/5/536填料函轴封是由填料箱体、填料底衬套、填料压盖和压紧螺栓等零件构成，使旋转轴达到密封的效果。2020/5/537填料函式轴封的优点是结构简单。用于发酵罐，它的缺点是：死角多，很难彻底灭菌，容易渗漏及染菌；轴的磨损情况较严重；填料压紧后摩擦功率消耗大；寿命短，经常维修，耗工时多。故在发酵罐上，多数不用2020/5/538机械轴封又称端面轴封组成1）动环和静环2）弹性元件3）辅助密封元件“O”形环和平橡胶垫片2020/5/539动环固定在轴上，随轴一起转动。静环装在壳体上。动环依靠弹簧的压力与静环紧密接触通过相对运动，两个环的端面互相密切贴合而达密封目的。辅助密封圈防止液体从动环与轴之间泄漏2020/5/540(5)消泡器1.化学消泡：植物油脂，动物油脂，高分子化合物。2.机械消泡装置：耙式消泡器，涡轮消泡器；旋风离心式和叶轮式离心消泡器、碟片式消泡器和刮板式消泡器等。旋风离心式叶轮离心式耙式消泡器罐内消泡罐外消泡罐外消泡2020/5/541耙式消泡器旋风式消泡器略高于液面，长度约为0.8~0.9D2020/5/542安装在罐外的消泡装置——接于罐的排气口旋风式消泡器其工作原理与旋风分离器相同。右图为改进的旋风式消泡器，它可以和消泡剂盒配合使用，并根据发酵罐内的泡沫情况自动添加消泡剂。2020/5/543(6)空气分布器作用：吹入无菌空气，并使空气均匀分布。形式：单管；环形管空气由分布管喷出上升时，被搅拌器打碎成小气泡，并与发酵液充分混合，增加了气液传质效果。2020/5/544单管：常用，简单实用，单次通入量大通风管单管式管口对正罐底中央，装于最低一挡搅拌器下面，喷口朝下，管口与罐低的距离约40mm。为了防止吹管吹入的空气直接喷击罐底，加速罐底腐蚀，在空气分布器下部罐底上加焊一块不锈钢补强。可延长罐底寿命，叫补强板。2020/5/545环形管：属于多孔管式。空气分布均匀，效果不如单管式，且喷气孔容易被堵塞。现很少采用。2020/5/546(7)联轴器大型发酵罐搅拌轴较长，常分为二至三段加工，再用联轴器组成牢固的刚性联接。小型的发酵罐可采用法兰将搅拌轴连接，轴的连接应垂直，中心线对正。法兰联轴器2020/5/547联轴器示意图2020/5/5482020/5/5492020/5/550(8)轴承中型发酵罐装有底轴承，大型发酵罐装有中间轴承。中间轴承底轴承2020/5/551作用：对轴固定，防止摆动，同时又不影响转动轴承结构2020/5/552(9)变速装置需要变速的原因：电机的转速大于搅拌器所需转速。电机分四级，转速分别约为：800、1000、1400、1600rpm；而搅拌转速则一般为90-110rpm。发酵罐常用的变速装置有三角皮带传动。2020/5/553(9)变速装置三角皮带2020/5/554(10)传热装置发酵罐的冷却,主要是考虑：微生物发酵过程的发酵热机械搅拌消耗的功率移送给培养基的热量此外还要考虑,发酵罐空消、实消后的冷却时间。2020/5/5552020/5/556夹套：在小型罐中往往应用夹套换热装置，优点是结构简单，加工方便，易清洗。换热系数较低，故只用于5m3以下的小罐。夹套的换热系数在400～600kJ／(m2·h·℃)之间。2020/5/557立式蛇管：在罐内设4组或8组蛇管。其优点为：管内水的流速大，传热系数高，在1200～4000kJ／(m2·h·℃)之间。可兼起档板的作用。缺点：罐内立式蛇管体积约占发酵罐的1.5%容积，蛇管一旦发生泄漏，将造成整个罐批的发酵液染菌，且罐内蛇管也给罐体清洗带来了不便。2020/5/558近来新型发酵罐的冷却面移至罐外,采用半圆形外蛇管优点罐体容易清洗增强罐体强度,因而可大大降低罐体壁厚,使整个发酵罐造价降低提高了发酵罐的容积,增大放罐体积2020/5/559(11)人孔人孔：中大型发酵罐顶装设有人孔，用于发酵罐的维修或清洗。2020/5/560(12)发酵罐的管路、接口罐体上的通道口一般有：进料口放料口接种口取样口消泡剂口补料口进气口排气口发酵罐的工作周期空消—实消—降温、通气—接种、补料、取样—放料—清洗进料管路有时配在罐体上封头,有时位于罐体下部与放料管路共用一个管口有时取样、放料、接种使用一个口2020/5/561(13)测量仪表发酵罐检测参数有:pH值、温度、溶氧值、搅拌速度、罐内压力、空气流量、泡沫度等这些检测元件必须能满足蒸汽灭菌和不能对发酵液产生污染仪表的测量点的位置应根据罐内发酵液的流型进行合理的布点2020/5/562通用式发酵罐的主要部件(1)罐体(2)搅拌器(3)挡板(4)轴封(5)消泡器(6)空气分布管(7)联轴器(8)轴承(9)变速装置(10)换热装置(11)人孔(12)管路(13)测量仪表二、发酵罐的结构1.通用式发酵罐2020/5/563思考题什么是通用式发酵罐？其基本结构包括哪些部件？各有什么作用？